G1垃圾回收器总结二

G1垃圾回收器总结二

目录

一、G1垃圾回收器的回收过程

二、Remembered Set（记忆集）

三、G1回收过程-年轻代GC

四、G1回收过程-并发标记过程

五、G1回收过程 - 混合回收

六、G1回收可选的过程4 - Full GC

七、G1回收的优化建议

八、垃圾回收器总结

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一、G1垃圾回收器的回收过程

G1 GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：

• 年轻代GC（Young GC）；
• 老年代并发标记过程（Concurrent Marking）；
• 混合回收（Mixed GC）；

如果需要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是继续存在的。它针对GC的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。如下图：

顺时针，young gc -> young gc + concurrent mark -> Mixed GC顺序，进行垃圾回收。

1. 应用程序分配内存，当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程；G1的年轻代收集阶段是一个并行的独占式收集器。在年轻代回收期，G1 GC暂停所有应用程序线程，启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间，也有可能是两个区间都会涉及。
2. 当堆内存使用达到一定阈值（默认45%）时，开始老年代并发标记过程。
3. 标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期，G1从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同，老年代的G1回收器和其他GC不同，G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了。同时，这个老年代Region是和年轻代一起被回收的。

二、Remembered Set（记忆集）

一个对象被不同区域引用的问题；

一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确？

在其他的分代收集器，也存在这样的问题（而G1更突出）回收新生代也不得不同时扫描老年代？这样的话会降低Minor GC的效率；

解决方法：

无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描：

每个Region都有一个对应的Remembered Set；

每次引用类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier【写屏障】暂时中断操作；

然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该引用类型数据在不同的Region（其他收集器：检查老年代对象是否引用了新生代对象）；如果不同，通过cardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中；当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set；就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。

三、G1回收过程-年轻代GC

JVM启动时，G1先准备好Eden区，程序在运行过程中不断创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年轻代垃圾回收过程。

年轻代垃圾回收只会回收Eden区域和Survivor区域。

YGC时，首先G1停止应用程序的执行（stop-The-World），G1创建回收集（Collection Set），回收集是指需要被回收的内存分段的集合，年轻代回收过程的回收集包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。如下图：

• Eden、Survivor区域存活的对象会移动到另外一个Survivor区；
• 当Survivor区域的对象达到晋升老年代阈值后，会进入Old老年代的Region中；

然后开始如下回收过程：

• 第一阶段，扫描根（GC Roots）

根是指static变量指向的对象，正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。

• 第二阶段，更新记忆集RSet

处理dirty card queue（脏卡表）中的card，更新记忆集RSet。此阶段完成后，RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。

• 第三阶段，处理记忆集RSet

识别被老年代对象指向的Eden中的对象，这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。

• 第四阶段，复制对象（使用复制算法）

此阶段，对象树被遍历，Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段，Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值，年龄会加1，达到阀值会被会被复制到old区中空的内存分段。如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。

注：复制对象的过程与前面介绍的年轻代复制算法的过程大体一致。

• 第五阶段，处理引用

处理软引用，弱引用，虚引用，终结器引用，JNI Weak 等引用。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，而目标内存中的对象都是连续存储的，没有碎片，所以复制过程可以达到内存整理的效果，减少碎片。

四、G1回收过程-并发标记过程

1. 初始标记阶段：标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW的，并且会触发一次年轻代GC；
2. 根区域扫描（Root Region Scanning）：G1 GC扫描survivor区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。这一过程必须在Young GC之前完成；

因为Young GC的时候需要移动Survivor中的对象，所以根区域扫描需发生在Young GC之前。

1. 并发标记（Concurrent Marking）：在整个堆中进行并发标记（和应用程序并发执行），此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性（区域中存活对象的比例）；
2. 再次标记（Remark）：由于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果，是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法：snapshot-at-the-beginning（SATB）；
3. 独占清理（cleanup，STW）：计算各个区域的存活对象和GC回收比例，并进行排序，识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫，是STW的。这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集；
4. 并发清理阶段：识别并清理完全空闲的区域；

五、G1回收过程 - 混合回收

当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个old GC，除了回收整个Young Region，还会回收一部分的old Region。

这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代。可以选择哪些old Region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制，也要注意的是Mixed GC并不是Full GC。

• 并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下，这些老年代的内存分段会分8次（可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置）被回收；
• 混合回收的回收集（Collection Set）包括八分之一的老年代内存分段，Eden区内存分段，Survivor区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样，只是回收集多了老年代的内存分段。
• 由于老年代中的内存分段默认分8次回收，G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收，XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent，默认为65%，意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会花费更多的时间。
• 混合回收并不一定要进行8次。有一个阈值-XX:G1HeapWastePercent，默认值为10%，意思是允许整个堆内存中有10%的空间被浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%，则不再进行混合回收。因为GC会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。

六、G1回收可选的过程 - Full GC

G1的初衷就是要避免Full GC的出现。但是如果上述方式不能正常工作，G1会停止应用程序的执行（stop-The-world），使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。

要避免Full GC的发生，一旦发生需要进行调整。什么时候会发生Full GC呢？比如堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到full gc，这种情况可以通过增大内存解决。 导致G1 Full GC的原因可能有两个：

• 回收的时候没有足够的to-space来存放晋升的对象；
• 并发处理过程完成之前空间耗尽；

七、G1回收的优化建议

从oracle官方透露出来的信息可获知，回收阶段（Evacuation）其实本也有想过设计成与用户程序一起并发执行，但这件事情做起来比较复杂，考虑到G1只是回一部分Region，停顿时间是用户可控制的，所以并不迫切去实现，而选择把这个特性放到了G1之后出现的低延迟垃圾收集器（即ZGC）中。另外，还考虑到G1不是仅仅面向低延迟，停顿用户线程能够最大幅度提高垃圾收集效率，为了保证吞吐量所以才选择了完全暂停用户线程的实现方案。

年轻代大小

• 避免使用-Xmn或-XX:NewRatio等相关选项显式设置年轻代大小；
• 固定年轻代的大小会覆盖；

暂停时间目标暂停时间目标不要太过严苛

• G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间；
• 评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这些会直接影响到吞吐量；

八、垃圾回收器总结

截止JDK1.8，一共有7款不同的垃圾收集器。每一款的垃圾收集器都有不同的特点，在具体使用的时候，需要根据具体的情况选用不同的垃圾收集器。

GC发展阶段：Serial => Parallel（并行）=> CMS（并发）=> G1 => ZGC

不同厂商、不同版本的虚拟机实现差距比较大。HotSpot虚拟机在JDK7/8后所有收集器及组合如下图：

• 怎么选择垃圾回收器？

Java垃圾收集器的配置对于JVM优化来说是一个很重要的选择，选择合适的垃圾收集器可以让JVM的性能有一个很大的提升。怎么选择垃圾收集器？

• 优先调整堆的大小让JVM自适应完成；
• 如果内存小于100M，使用串行收集器；
• 如果是单核、单机程序，并且没有停顿时间的要求，串行收集器；
• 如果是多CPU、需要高吞吐量、允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选择；
• 如果是多CPU、追求低停顿时间，需快速响应（比如延迟不能超过1秒，如互联网应用），使用并发收集器；
• 官方推荐G1，性能高。现在互联网的项目，基本都是使用G1；

最后需要明确一个观点：

• 没有最好的收集器，更没有万能的收集；
• 调优永远是针对特定场景、特定需求，不存在一劳永逸的收集器；